Halide perovskites zimebadilisha kabisa photovoltaics kwa sifa zao za kipekee za optoelectronic, zikiwa zimeboreshwa hasa kupitia uhandisi wa interfaces katika seli za jua. Hata hivyo, kadri utendaji unavyokaribia mipaka ya kinadharia ya fizikia ya kitovu cha kawaida cha p-n, kuna hitaji la dharuba la kuchunguza mbinu mbadala za photovoltaic. Utafiti huu unachunguza athari ya flexo-photovoltaic (FPV)—athari ya photovoltaic ya mkusanyiko (BPVE) inayoendeshwa na mienendo ya mkazo—katika halide perovskites za methylammonium lead (MAPbBr3 na MAPbI3). Utafiti unaonyesha kuwa nyenzo hizi zinaonyesha athari ya FPV yenye ukubwa wa mpangilio mkubwa zaidi kuliko oksidi ya kiwango cha SrTiO3 na, muhimu zaidi, zinaweza kutoa photovoltages zinazozidi bandgap yao wenyewe chini ya mienendo ya mkazo ya kutosha. Kazi hii inaonyesha kuwa uhandisi wa mienendo ya mkazo unaweza kutoa dhana mpya ya kazi ya kuboresha utendaji wa vifaa vya halide perovskite zaidi ya mipaka ya jadi.
Kuelewa athari ya flexo-photovoltaic kunahitaji msingi katika kanuni za msingi za ulinganifu na mbinu zilizopo za photovoltaic.
Mtiririko wa mwelekeo halisi wa vibeba malipo yanayotokana na mwanga (photocurrent) unahitaji kuvunjwa kwa ulinganifu wa ubadilishaji nafasi. Katika seli za jua za kawaida, kuvunjwa huku kwa ulinganifu hutokea kwenye interface ya kitovu cha p-n, kuwatenganisha jozi za elektroni-na-shimo.
Katika fuwele fulani zisizo na kitovu (mfano, piezoelectric), ulinganifu wa ubadilishaji nafasi unavunjwa ndani ya nyenzo ya mkusanyiko. Mwangaza unaweza kutoa photocurrent thabiti, inayojulikana kama athari ya photovoltaic ya mkusanyiko, bila hitaji la kitovu. Mkondo wa kuhama, utaratibu mkuu, unaweza kuelezewa kwa njia ya kijidhihirisha.
Flexoelectricity ni sifa ya ulimwenguni ambapo mienendo ya mkazo ($\nabla \epsilon$) husababisha ubaguzi wa umeme ($P$) katika nyenzo yoyote ya dielectric: $P_i = \mu_{ijkl} \frac{\partial \epsilon_{jk}}{\partial x_l}$, ambapo $\mu$ ni tensor ya flexoelectric. Kupinda fuwele hutoa mienendo kama hiyo, ikivunja ulinganifu na kuwezesha BPVE inayoendeshwa na mienendo ya mkazo, yaani, athari ya flexo-photovoltaic. Athari hii inawezekana kinadharia katika nyenzo yoyote inayopindika.
Fuwele moja za MAPbBr3 (MAPB) na MAPbI3 zilitengenezwa. Fuwele moja za kibiashara za SrTiO3 (STO) zilitumika kama kiwango cha flexoelectric. Miundo ya capacitor ya ulinganifu ilitengenezwa kwa kuweka elektrodi sawa za Au kwenye nyuso tofauti za fuwele.
Fuwele zilipindwa kikimitambo ili kutumia mienendo ya mkazo iliyodhibitiwa. Mwangaza wa pembeni (LED ya 405 nm kwa MAPB, 365 nm kwa STO) ulihakikisha kuwa michango ya photovoltaic inayohusiana na interface kutoka kwa elektrodi mbili za ulinganifu ilighairiwa, ikitenga athari ya mkusanyiko. Photovoltage ilipimwa kama utendakazi wa mkunjo wa kupinda (mienendo ya mkazo) na ukali wa mwanga (hadi LUX 1000).
Halide Perovskites >> SrTiO3
> Bandgap Inayoweza Kupatikana
FPV + BPVE ya Asili
Athari ya flexo-photovoltaic iliyopimwa katika MAPbBr3 na MAPbI3 iligundulika kuwa na ukubwa wa mpangilio mkubwa zaidi kuliko ile katika oksidi ya rejea SrTiO3. Hii inaangazia muunganisho wenye nguvu sana kati ya mienendo ya mkazo na utenganishaji wa malipo katika halide perovskites, ikihusishwa na viwango vyao vya juu vya dielectric na uhamaji wa ioni, ambavyo vinaboresha mgawo wa flexoelectric.
Ugunduzi wa kihistoria ni kwamba kwa mienendo ya mkazo iliyotumiwa ya kutosha, photovoltage inayotokana inaweza kuzidi voltage ya bandgap ya nyenzo ($V_{ph} > E_g / e$). Hii inakiuka kikomo cha kawaida cha Shockley-Queisser kwa seli za jua za kitovu kimoja, ambacho kinategemea fizikia ya kitovu, na inaonyesha dari tofauti kabisa na yenye uwezo bora zaidi ya ubadilishaji wa nishati unaotegemea athari ya mkusanyiko.
Katika MAPbI3, flexo-photovoltage iliongezwa juu ya photovoltage ya asili ya mkusanyiko iliyokuwepo tayari, yenye hysteresis. Hysteresis hii inalingana na ubaguzi wa umeme wa macroscopic unaoweza kubadilishwa kwa umeme wa nyenzo, ikionyesha muunganisho kati ya maeneo ya ferroelectric (au yanayofanana na ferroelectric) na majibu ya photovoltaic. Athari hizi zinaongezwa, zikionyesha uwezo wa uboreshaji wa mbinu nyingi.
Msongamano wa mkondo wa flexo-photovoltaic $J_{FPV}$ unaweza kuunganishwa kwa njia ya kijidhihirisha na sifa za nyenzo na vigezo vya utafiti:
$J_{FPV} \propto \beta \cdot I \cdot \nabla \epsilon$
Ambapo $\beta$ ni mgawo maalum wa FPV wa nyenzo unaojumuisha tensor ya flexoelectric na sifa za usafirishaji wa vibeba malipo, $I$ ni ukali wa mwanga, na $\nabla \epsilon$ ni mienendo ya mkazo. Photovoltage ya wazi ya mzunguko $V_{oc}$ inahusiana na mkondo huu na upinzani wa ndani wa sampuli. Hali ya photovoltage juu ya bandgap inamaanisha kuwa bidhaa $\beta \cdot \nabla \epsilon$ katika perovskites hizi inaweza kuwa kubwa ya kutosha kusukuma vibeba malipo dhidi ya tofauti ya uwezo kubwa kuliko $E_g/e$. Majibu ya hysteresis katika MAPbI3 yanaonyesha ubaguzi wa umeme unaotegemea wakati $P(t)$ unaobadilisha uga wa ndani: $J_{total} \propto (\beta_{FPV} \cdot \nabla \epsilon + \gamma \cdot P(t)) \cdot I$, ambapo $\gamma$ ni mgawo wa muunganisho.
Mfumo wa Kutathmini Mbinu Mpya za PV:
Utumiaji wa Utafiti wa Kesi: Kutumia mfumo huu kwenye karatasi iliyowasilishwa inaonyesha wazi utekelezaji wake: miundo ya ulinganifu ilitenganisha athari ya mkusanyiko, kupinda kulidhibiti $\nabla \epsilon$, STO ilitoa kiwango, na ugunduzi wa $V_{oc}$ >$E_g$ ulikuwa matokeo ya kupima mipaka. Tabia ya hysteresis ilisababisha uchunguzi wa hali ya ubaguzi wa asili.
Hii sio tu ongezeko la ufanisi; ni shambulio la dhana kwenye kikomo cha Shockley-Queisser. Waandishi wamefanikisha kutumia mabadiliko ya kimitambo ya nyenzo—jambo ambalo kwa kawaida linachukuliwa kuwa ndoto ya kutisha ya kutegemewa—ili kutoa photovoltages ambazo kinadharia hazipaswi kuwezekana katika nyenzo za awamu moja. Wamehamisha vita vya ufanisi wa juu kutoka kwa uhandisi wa nano wa interfaces hadi uhandisi wa macro na micro wa maeneo ya mkazo. Matokeo ni makubwa: ikiwa dari ya Si ya kitovu kimoja ni ~29%, na kwa perovskites ni ~31%, utaratibu usiofungwa na usawa wa kina unafungua dari mpya, isiyoelezwa.
Mantiki ni mkali na ya kupunguza. 1) Hitaji la fizikia mpya ya PV zaidi ya vitovu. 2) Athari za mkusanyiko kama BPVE ni mbadala. 3) Flexoelectricity inaweza kusababisha BPVE (FPV) katika nyenzo yoyote inayopindika. 4) Halide perovskites ni nyenzo bora za PV na zinajulikana kuwa na flexoelectricity ya juu. 5) Kwa hivyo, jaribu FPV yao. 6) Matokeo: Ni kubwa sana na inaweza kuvunja kizuizi cha voltage ya bandgap. Mfuatano wa hoja hauna mapungufu, ukibadilisha udadisi wa kinadharia (FPV katika oksidi) kuwa teknolojia inayoweza kuvuruga katika familia ya nyenzo za PV zinazovutia zaidi.
Nguvu: Muundo wa majaribio ni mzuri kwa unyenyekevu wake wa kutenganisha athari. Matokeo ya >$E_g$ ni uthibitisho wa wazi wa uwezo wa dhana hiyo unaovutia kichwa. Kutumia STO kama kiwango kunatoa muktadha muhimu. Uchunguzi wa ujumuishaji na ubaguzi wa asili katika MAPbI3 unaonyesha uwanja tajiri wa uboreshaji wa fizikia nyingi.
Mapungufu & Mapengo: Hii ni utafiti wa msingi wa sayansi wa fuwele moja. Tembo katika chumba ni utekelezaji wa vitendo. Unawezaje kuanzisha mienendo mikubwa, iliyodhibitiwa, na thabiti ya mkazo kwenye seli nyembamba ya jua kwenye msingi unaopindika bila kusababisha uchovu au uvunjaji? Karatasi hiyo haizungumzii viashiria vya ufanisi wa ubadilishaji wa nguvu (PCE)—kutoa voltage ya juu ni jambo moja, lakini kutoa nguvu muhimu (mkondo x voltage) ni jambo lingine. Uthabiti wa athari chini ya mwangaza endelevu na mzunguko wa kimitambo haujagusiwa kabisa, ukosefu muhimu kwa matumizi yoyote ya ulimwenguni halisi.
Kwa watafiti: Hatua inayofuata ya haraka ni kuonyesha hii katika filamu nyembamba. Shirikiana na vikundi wenye ujuzi katika uhandisi wa mkazo (mfano, kutumia misingi isiyolingana, chembechembe za nano za ganda-la-kiini, au tabaka zenye mkazo zilizo na muundo). Pima mkunjo kamili wa J-V na toa ripoti ya PCE iliyochangiwa na FPV. Chunguza perovskites nyingine za mseto na aina za 2D ambazo zinaweza kuwa na mgawo wa juu zaidi wa flexoelectric.
Kwa wawekezaji: Hii ni kamari ya hatari ya juu, ya malipo ya juu, ya awali. Usitarajie vifaa vya kibiashara katika miaka 5 ijayo. Hata hivyo, funga timu zinazokabiliana na changamoto za ujumuishaji wa nyenzo na uhandisi wa kimitambo. Haki miliki inayozunguka njia za kuingiza mienendo ya mkazo iliyoundwa ndani ya moduli za PV inaweza kuwa ya thamani kubwa ikiwa madai ya ufanisi yatashikilia kwa kiwango kikubwa.
Kwa sekta: Tazama hii kama chaguo la kimkakati la muda mrefu. Endelea kuboresha seli za jua za perovskite za interface (PSCs) kwa utumaji wa karibu, lakini weka timu ndogo, mwepesi ya R&D kufuatilia na kujaribu dhana za athari ya mkusanyiko. Malipo yanayotarajiwa—seli ya jua yenye kikomo cha juu zaidi cha ufanisi—yanathibitisha njia ya mfuko.